Il termine smart, che prendiamo in prestito dall’inglese, è sempre più utilizzato e spesso abusato, ma rende bene l’idea, poiché una macchina industriale smart è più di una macchina intelligente, come vorrebbe la traduzione letterale.
Le aziende manifatturiere sono da sempre alla ricerca di migliorare produttività ed efficienza all’interno delle proprie fabbriche. Oggi, sono le applicazioni Industrial IoT che promettono prestazioni elevate e nuovi servizi, a vantaggio della competitività, ma per realizzarle servono dati, che vengono prodotti in quantità da macchine e sistemi intelligenti. Ecco perché i costruttori di macchine si trovano a dover soddisfare le crescenti richieste dei propri clienti, principalmente le industrie manifatturiere, sempre più orientate alle smart machine.
Ma cos’è una smart machine? Quali sono i vantaggi e le opportunità per i costruttori e gli utilizzatori? Quali gli standard emergenti in ambito di connettività e quali i benefici della nuova generazione del mobile in arrivo, il 5G? Se l’Intelligenza Artificiale è sempre più “a bordo” macchina in un’ottica di Edge Computing, quale sarà lo sviluppo? Ebbene, queste sono le domande che abbiamo rivolto ad alcuni tra i principali player internazionali di tecnologie di automazione industriale e, nell’articolo successivo, anche a chi le tecnologie le “mette a terra”, realizzando le smart machine, ovvero i costruttori di macchine.
Il concetto di smart machine
«Una smart machine non è semplicemente una macchina intelligente con un processore a bordo, poiché è da tempo che le macchine sono dotate di cpu», ci dice Alberto Griffini, Product Manager Plc e Scada Mitsubishi Electric. «Il concetto di smart machine si estende alla connessione in rete quindi alla possibilità di scambiare dati con altre macchine o altri sistemi: è, dunque, la condivisione dei dati che rende la macchina intelligente».
Definizione condivisa anche da Andrea Ariano, Marketing Product Manager dell’offerta Automazione Plc, Motion (Edge), Software e Digital Service Platform di Schneider Electric. «Una smart machine è una macchina connessa in grado di raccogliere, correlare e rielaborare i dati necessari, al momento debito, per poterli combinare in modo significativo così da ottenere informazioni
utili dal punto di vista operativo e decisionale; in futuro una smart machine potrebbe, addirittura, realizzare autonomamente delle scelte», ci spiega Ariano. Per questo, realizzare una smart machine significa integrare nella macchina funzionalità tecnologiche che coinvolgono tutto il ciclo di vita - dalla progettazione smart all’utilizzo - tenendo conto delle richieste del mercato degli utilizzatori finali.
Giuseppe Biffi, Digitalization Business Development Manager di Siemens, introduce, invece, il concetto di Fully Autonomous Manufacturing, una sorta di arrivo di un percorso. «Per raggiungere obiettivi di produttività ed efficienza, le imprese manifatturiere devono iniziare un percorso che passa attraverso l’automazione e le tecnologie digitali, ed è caratterizzato da una serie di passi», spiega Biffi.
«Dagli approcci più tradizionali come l’Efficiency-based Automation, che vede l’automazione di base orientata a un aumento dell’efficienza e alla riduzione dei costi, alla Service-based Automation, che rappresenta lo stadio evolutivo in cui le macchine sono progettate, realizzate e messe in opera con un concetto di pay-per-use, fino all’Outcome-based Automation, in cui le macchine saranno gestite in base a un modello pay-per-outcome e potranno sfruttare le proprie caratteristiche avanzate per comunicare con altre macchine e con il Cloud».
Ma è con il Fully Autonomous Manufacturing che si può parlare davvero di smart machine. In quest’ultima fase, la produzione sarà totalmente automatizzata grazie a una completa connettività anche con i sistemi informativi di fabbrica, ma soprattutto grazie a sistemi di intelligenza artificiale che consentiranno alle macchine di operare scelte complesse che diversamente richiederebbero l’intervento umano, portando l’ottimizzazione di risorse e processi al loro punto più alto.
Per il team di Rockwell Automation, invece, fino a poco tempo fa le decisioni erano prese da responsabili e da lavoratori sulla base della propria esperienza; la messa a punto delle macchine avveniva manualmente così come i processi che venivano calibrati in funzione di quote di produzione predefinite. Proprio l’avvento delle tecnologie IIoT e l’introduzione delle smart machine ha completamente rivoluzionato questi scenari.
«Ci troviamo in presenza di macchine intelligenti, connesse tra loro e con l’azienda e, tramite il Cloud, con tutto l’ecosistema aziendale. In un ambito di smart manufacturing le apparecchiature sono in grado di autoregolarsi per migliorare la qualità, per aumentare il tempo di disponibilità e la sicurezza oltre che per ridurre il consumo energetico, così come di sincronizzarsi con le altre apparecchiature per mantenere il livello dei volumi di produzione, anche in presenza di ritardi o tempi di esecuzione più rapidi del previsto».
Opportunità di business per costruttori e utilizzatori
Mass customsization, gestione remota degli asset, manutenzione predittiva, utilizzo di tecnologie emergenti, efficientamento continuo sono solo alcune delle esigenze provenienti dalle imprese manifatturiere sulle quali i costruttori di macchine possono lavorare per generare nuove opportunità di business. «Grazie alla connettività estesa delle macchine al Cloud, un costruttore potrà monitorare più efficacemente le prestazioni della propria macchina in opera, offrendo servizi oggi inimmaginabili ai propri clienti, quali la manutenzione predittiva, il monitoraggio delle prestazioni e l’analisi dei guasti», spiega Biffi. «I costruttori avranno l’opportunità di offrire la propria tecnologia secondo modalità alternative, che non passano più attraverso la vendita di un asset (la macchina), ma attraverso la stipula di accordi pay-per-use».
Una smart machine è, inoltre, completamente interconnessa e fornisce trasparenza sui dati, riducendo tempi e costi di manutenzione ed è dotata di intelligenza evoluta che le permette di imparare e adattarsi a diverse situazioni, aumentando la qualità e la produttività complessiva.
Anche Griffini cita tra i vantaggi di una smart machine i servizi che derivano dalla condivisione dei dati quali il monitoraggio e la manutenzione predittiva, precisando che la smart machine è connessa non solo a livello di fabbrica, ma, in un’ottica di Industria 4.0, con tutto il sistema aziendale, che si verticalizza verso l’alto con i sistemi Mes, Erp e sempre di più verso l’esterno lungo tutta la supply chain. «Per fare un esempio, in Mitsubishi Electric abbiamo messo a punto la soluzione Smart Condition Monitoring, che consente di diagnosticare potenziali rotture, poniamo di un albero motore, sulla base delle perturbazioni delle vibrazioni rilevate da un sensore intelligente dotato di accelerometro», continua Griffini.
«Le smart machine mettono a disposizione dei decisori, a qualsiasi livello, informazioni e analisi in tempo reale che supporto di processi decisionali proattivi per la produzione, la gestione degli asset, la sicurezza, la manutenzione e la logistica», è l’opinione del team di Rockwell Automation. «Al di là di quanto succede a livello di factory floor, l’avvento della smart machine ha anche portato a un cambiamento nella relazione tra Oem ed end-user, oggi maggiormente improntata a una collaborazione più stretta e continuativa
La possibilità per l’Oem di accedere da remoto ai dati delle macchine ha aperto la strada a una estensione dei servizi da offrire al cliente che vanno ben oltre la progettazione e messa in servizio della macchina. L’attivazione di politiche di manutenzione preventiva e predittiva mette l’end-user al sicuro da fermi macchina non programmati oltre che consentire una risoluzione più rapida di eventuali guasti e offre all’Oem la possibilità di disporre di dati in tempo reale sul funzionamento delle macchine e quindi di poter apportare miglioramenti progettuali e offrire consulenza al cliente in termini di un uso ottimale di questi asset».
Dall’Ethernet al 5G, passando per standard e protocolli
La smart machine nasce per essere connessa e interconnessa e il primo tema da affrontare è la sicurezza, oltre naturalmente alla connessione sempre disponibile e stabile. «Sulla connettività, lo standard per le macchine connesse è Ethernet: consente l’integrazione delle reti a tutti i livelli (rete di fabbrica, rete aziendale) e l’apertura verso l’esterno - tipicamente verso il Cloud - così da poter realizzare anche nuovi servizi digitali; è inoltre un tipo di connettività per la quale esistono best practice di cybersecurity consolidate», spiega Ariano.
«Con il 5G arriva una nuova generazione di connettività in ambiente industriale che abiliterà una vera trasformazione real-time, grazie alla latenza ridotta al minimo. Questa tecnologia, che oggi vediamo sperimentata, ad esempio, nella guida autonoma dei veicoli, permetterà di implementare in modo rivoluzionario realtà aumentata, service remoto in tempo reale, sfruttando tutta la potenza del Cloud. Inoltre, le analisi che oggi sono realizzate in Edge Computing potranno usare tecniche di Intelligenza Artificiale e reti neurali in real-time: scenari futuristici ma non così lontani», afferma Ariano.
Anche Rockwell Automation si allinea a queste considerazioni, sottolineando che la velocità, i tempi di latenza e l’affidabilità messi a disposizione dal 5G, grazie alla funzionalità Urllc (Ultra Reliable Low Latency Communication) saranno la chiave che porterà all’affermazione definitiva di tecnologie come l’IIoT e dello smart manufacturing, poiché la nuova rete mobile consentirà la connessione di un numero molto più elevato di device, con un aumento delle prestazioni e un utilizzo più semplice e sicuro e un maggior sfruttamento delle potenzialità offerte dal mobile e dal wireless.
Sul fronte della sicurezza i protocolli di rete svolgono un ruolo determinate. «Tra questi, quello che si sta imponendo con successo e larga diffusione è Opc UA, che nasce proprio per rispettare i requisiti della sicurezza di tipo informatico legata alle connessioni remote», ci dice Griffini. «Un altro elemento fondamentale è l’ampiezza di banda, necessaria per assicurare i nuovi servizi.
Tra le tecnologie emergenti su rete Ethernet, si sta ritagliando uno spazio crescente il Tsn (Time-Sensitive Networking), promosso anche dal Consorzio Clpa (CC-Link Partner Association). Possiamo definire il Tsn una sorta di metodo di accesso, una specifica che si aggiunge a quelle di base dell’Ethernet industriale. Il limite di Ethernet è che non è deterministico e questo non assicura il real-time. Per anni questo limite è stato compensato con l’aumento della velocità, oggi giunta a1 Gbit/s. Il Tsn è, invece, un segnale di sincronismo sulla rete che determina chi e quando deve comunicare.
In questo modo il Tsn consente di raggiungere il determinismo su Ethernet, assicurando il real-time e l’assoluta ripetibilità. I protocolli basati su Tsn quale modalità di accesso a Ethernet consentono tempi di trasmissione certi. In Mitsubishi Electric ci strutturiamo su due livelli: ponendo al centro di un sistema il plc, per comunicare dal plc verso l’alto - Edge o Cloud - optiamo per Opc UA perché abbiamo bisogno di sicurezza, mentre dal plc verso i device di campo, puntiamo su CC-Link IE perché abbiamo bisogno di ampiezza di banda e tempi certi».
E aggiunge ancora Griffini: «Non si può poi tralasciare la dimensione del wireless che, con l’avvento del 5G, avrà un grande impatto anche nel campo industriale. Il 5G è un’infrastruttura di comunicazione wireless sulla quale possono girare anche i protocolli di rete. In ambito industriale ci sono già I/O remoti, sensori, attuatori che lavorano in wireless, ma ancora non sono diffusi in modo esteso».
Biffi pone al centro della questione connettività il processo di convergenza tra l’IT (Information Technology) e l’OT (Operational Technology). «Dal punto di vistaIT/business un dato è definito sicuro quando ne è prima di tutto garantita riservatezza e integrità (protezione da modifiche accidentali o non consentite), mentre per l’OT/fabbrica sono la disponibilità e l’integrità del dato a essere più critici e quindi privilegiati a discapito della riservatezza. Questo accade perché un sistema produttivo, una macchina o un apparato devono prima di tutto essere in grado di produrre con i dati corretti, esattamente quando serve e poi, solo poi, garantire che i dati usati (in ingresso o in uscita) soddisfino i criteri di sicurezza business», spiega Biffi.
«Nei prossimi anni, il 5G andrà a rispondere efficacemente a queste esigenze garantendo reti ultraveloci, con ampia banda passante, ma soprattutto a bassa latenza e sicure. Ciò consentirà di controllare in tempo reale centinaia di migliaia di dispositivi per chilometro quadrato, macchine e impianti saranno connessi su reti Wi-Fi e la digitalizzazione di fabbrica riceverà un nuovo e ulteriore impulso».
Intelligenza artificiale a bordo macchina, in ottica Edge
Con l’Edge Computing è possibile acquisire ed elaborare i dati direttamente e in modo sicuro sulla macchina senza latenza utilizzando software dedicato, ma coordinato da un sistema centrale Cloud-based. «Per questa ragione, spesso Edge Computing e Intelligenza Artificiale concorrono insieme a realizzare applicazioni potenti e flessibili, in grado di rendere davvero smart una macchina, una linea, un intero impianto. L’IA è destinata a svolgere un ruolo chiave nel ridurre gli sforzi di programmazione e ingegneria necessari per creare soluzioni di automazione. Sta rendendo la logica di controllo più agile e i processi di produzione più flessibili e precisi», ci dice Biffi.
L’Edge Computing offre, dunque, la risposta in termini di capacità locale di elaborazione per trasmettere e gestire i dati con la minore latenza. «Oggi a livello Edge sono disponibili veri e propri microdatacenter - anche nella nostra offerta Schneider Electric - con caratteristiche di compattezza, resistenza e facilità di integrazione tali da consentire di portare nell’impianto in tranquillità le risorse IT richieste», è quanto afferma Ariano.
Relativamente all’Intelligenza Artificiale e alle tecniche di Machine Learning, affiancate da algoritmi sempre più efficaci e affinati per trarre il massimo vantaggio dai dati disponibili, si può dire che esse rappresentino l’ingresso sempre più in profondità del software in un mondo che, fino a poco tempo fa, era focalizzato sulla componentistica. «È una grande sfida da cogliere se si vuole sviluppare il business: basti pensare che gli algoritmi sono alla base ad esempio dei processi di manutenzione predittiva, con tutti i loro vantaggi», spiega Ariano.
Anche Mitsubishi Electric crede molto nell’Edge Computing. «Il limite del Cloud è la latenza nelle risposte in tempo reale e nella disponibilità delle connessioni», precisa Griffini. «Ad esempio, nell’ottimizzazione di un processo di produzione, meglio optare per l’Edge, che sta vicino alla macchina o al sistema ed è collegato via rete locale. Tuttavia, le due modalità convivono in modo complementare: dove serve rapidità si opterà per l’Edge, mentre quando servono capacità e strumenti collaborativi, sia all’interno dell’azienda sia all’esterno, allora il Cloud è la scelta ottimale».
Da grande, la smart machine deciderà in autonomia
Abbiamo visto come le macchine si stiano trasformando in sistemi sempre più intelligenti, in grado di monitorare l’intera produzione o una linea di assemblaggio, di raccogliere costantemente preziosi dati con l’aiuto di sensori, fino a divenire capaci di prendere decisioni finora appannaggio dell’esperienza dell’uomo.
«Il livello di collaborazione tra le macchine e tra le macchine e il personale di fabbrica aumenterà esponenzialmente e l’intero mondo industriale è destinato a subire un cambiamento radicale, anche nel modo in cui gli utenti interagiscono, visualizzano e gestiscono il processo di produzione», aggiunge ancora, concludendo, Biffi. «Siemens sta supportando attivamente lo sviluppo e l’implementazione dello smart manufacturing, investendo miliardi di euro ogni anno in attività di ricerca e sviluppo e, soprattutto, adottando e mettendo alla prova le applicazioni più innovative nelle proprie fabbriche».
I trend di mercato indicano aspettative ed esigenze che nascono da un mondo quotidiano sempre più digitale, caratterizzato da disponibilità, mobilità, real-time e semplicità. «Ci si aspetta, inoltre, una tecnologia che sia il più possibile collaborativa con l’utente», commenta infine Ariano. «Tutto questo porta anche vantaggi al business, perché, ad esempio, quando si soddisfano queste richieste, si aumenta la produttività delle persone e più semplicità significa anche più flessibilità al cambiamento, oltre che riduzione delle curve di apprendimento».
Se siamo solo all’inizio di una nuova generazione di macchine per il settore industriale, allora continueremo a monitorare l’argomento, seguendo, passo dopo passo, l’evoluzione delle smart machine attraverso le tecnologie e le soluzioni per la loro implementazione.
